第第 22 章章 半导体发光显示器件 半导体发光显示器件（（ LEDLED ））

§2 §2 半导体发光显示器件（半导体发光显示器件（ LELEDD ））

What is LED? Light emitting diodes, co

mmonly called LEDs, are used for dozens of different applications and are found in all kinds of devices (digital clocks, remote controls, light up watches and tell turned on indicator).

Television screen

2.12.1 、、 P-NP-N 结发光原理 结发光原理

由于少数载流子在电场作用下能量增加，这些载流子在同质结或异质结区的注入与复合而产生的发光叫做结型电致发光（又称注入式电致发光）。概据这种发光现象制成的发光器件称为结型电致发光显示器件。

用 P-N 结电致发光原理制成的发光二极管是在 60 年代末得到迅速发展的。 LED 是注入式电致发光显示器件的典型。

P-NP-N 结发光原理结发光原理

2.22.2 、、 LEDLED 的伏安特性的伏安特性

1.0 1.5 2.0 2.50

20

40

60

80

100

120

I (m

A)

U (V)

开启电压与材料有关，对 于 GaAs 是 1.0V ；GaAs1-xPx 、 Ga1-xAlxAs 大致是 1.5V ；发红光的 GP 是 1.8V ，发绿光的 GaP 是 2.0V 。反向击穿电压一般在 -5V以上。

2.32.3 、亮度与电流关系、亮度与电流关系

在低电流密度下， m=1.3~1.5 ；在高电流密度下，扩散电流起支配作用， m≈1 。

自发辐射情况下

由于存在非辐射复全以及隧道电流

2.42.4 、、 LEDLED 的驱动的驱动

FFCCL IUUR /)(

（ 2.4）

2.52.5 、、 LEDLED 光源的特点光源的特点 电压： LED 使用低压电源，供电电压在 6-24V 之间，根据产品不同

而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。

效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少 80% 适用性：很小，每个单元 LED 小片是 3-5mm 的正方形，所以可以制

备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境 稳定性： 10 万小时，光衰为初始的 50% 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级， LED 灯的响应时间为纳

秒级 对环境污染：无有害金属汞 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调

整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的 LED ，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色

价格： LED 的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只 LED 的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上 300 ～ 500只二极管构成。

2.62.6 、单色光、单色光 LEDLED 的种类及其发展历的种类及其发展历史史

最早应用半导体 P-N 结发光原理制成的 LED 光源问世于20 世纪 60 年代初。当时所用的材料是 GaAsP ，发红光（ λ=650nm ），在驱动电流为 20 毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约 0.1 流明 / 瓦。

70 年代中期，引入元素 In 和 N ，使 LED 产生绿光（ λ=555nm ），黄光（ λ=590nm ）和橙光（ λ=610nm ），光效也提高到 1 流明 / 瓦。

到了 80 年代初，出现了 GaAlAs 的 LED 光源，使得红色LED 的光效达到 10 流明 / 瓦。

90 年代初，发红光、黄光的 GaAlInP 和发绿、蓝光的 GaInN两种新材料的开发成功，使 LED 的光效得到大幅度的提高。在 2000 年，前者做成的 LED 在红、橙区（ λ=615nm ）的光效达到 100 流明 / 瓦，而后者制成的 LED 在绿色区域（ λp=530nm ）的光效可以达到 50 流明 / 瓦。

2.72.7 、单色光、单色光 LEDLED 应用应用

最初 LED 用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的 LED 在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以 12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的 140 瓦白炽灯作为光源，它产生 2000 流明的白光。经红色滤光片后，光损失 90% ，只剩下 200 流明的红光。而在新设计的灯中， Lumileds 公司采用了 18 个红色 LED 光源，包括电路损失在内，共耗电 14 瓦，即可产生同样的光效。

汽车信号灯也是 LED 光源应用的重要领域。 1987 年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于 LED 响应速度快（纳秒级），可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。

另外， LED 灯在室外红、绿、蓝全彩广告显示屏得到了广泛的应用。

360°LED360°LED 环型显示器环型显示器

工作原理工作原理

分辨率的计算方法分辨率的计算方法

设每列 LED 个数为 K ，列长度为 L ，若有n列 LED ，列区间扫描等份数为 m 。若要形成正方形像素，必须设计 L/K=2πr/nm ，其中 r 为旋转面半径。例如设计一个 8列 LED 的旋转显示屏，列区间等分为 64份，每列有 512 个发光管，则可构成一个 512×512=26 万像素的画面，而所用的发光管数量仅为 512×8=4096 个。

2.82.8 、白光、白光 LEDLED 的开发的开发

对于一般照明，或显示器的背照光而言，人们更需要白色的光源。 1998 年发白光的 LED 开发成功。这种 LED 是将 GaN芯片和钇铝石榴石（ YAG ）封装在一起做成。 GaN芯片发蓝光（ λ=465nm ，谱宽 =30nm ），高温烧结制成的含 Ce3+ 的 YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值 550nm 。蓝光 LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有 YAG 的树脂薄层，约 200-500nm 。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于 InGaN/YAG 白色 LED ，通过改变 YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温 3500-10000K 的各色白光。

白色 LED照明灯

地砖灯

礼品灯

手电筒